愛因斯坦的廣義相對論到底是什麼?

木幽書


愛因斯坦的廣義相對論研究的是物體相對周圍被加速的情況,尤其是那些在過去來看被認為是“引力”作用而引起的加速。 廣義相對論將引力解釋為時空的彎曲。物體在被其他物體的質量彎曲的空間中只是沿著“最容易的”路徑運動,按照這個理論, 行星圍繞恆星運行的軌道,彗星走過的雙曲線路徑,並不是因為引力的“作用”,而是恆星質量引起空間的扭曲使然。

愛因斯坦受到他後來稱之為 “我一生中最幸福的思考,如果一 個人自由下落,他將感知不到自己的質量”的啟發。其重要的思想就是關於空間和時間的一—在他的狹義相對論中,二者已經被關聯起來了,並非平直的,而是彎曲的, 被存在的物質所彎曲。愛因斯坦認識到這個曲率將導致一種被稱為引力的現象。牛頓認為引力是物體之間相互吸引的力,雖然他的方程很完美,但是他經常會小心翼翼地說,自己並不知道這作用於遙遠物體之間的奇怪的力到底是什麼。廣義相對論解決了這個問題。其實並沒有力,物體只是簡單地沿著時空中最短的路徑運動而已。

在平整的表面,最短的路徑是直線,也稱測地線。在地球這樣的球面上,測地線則是圓上的 一段圓弧。但在複雜的彎時空中,物體所遵循的測地線也許是橢圓或雙曲線,或是牛頓引力理 論所描述的任何路徑。其實根本沒有所謂的引力:就像美國物理學家約翰·惠勒總結的那樣,“空 間告訴物質如何運動,物質告訴空間如何彎曲”。

實際上,一旦愛因斯坦掌握 了描述他四維曲面的微妙的數學工具後,相對論就像17世紀的牛頓方程式一樣,使一切都變得清 楚了,除了一些極端的情況外。 這些情況包括質量極大的事 物,在那裡時空彎曲嚴重,牛頓 方程式不能成立。愛因斯坦意識到這種差異在水星軌道上就能觀測到。天文學家對那顆距離太陽很近的小小的行星進行了長期觀測,發現它的軌道一直在變化, 這種運動在經典的引力理論中無 法解釋。但是在相對論看來,這種由於在太陽附近而產生的額外的空間彎曲,正好將水星的軌道扭曲成目前的樣子。

幾年後,愛因斯坦將廣義相對論的場方程擴展應用到宇宙學中,令他沮喪的是,方程預言了一個動態的宇宙,宇宙必須是膨脹或收縮的,而不可能是科學界普遍認為的靜態的。於是愛因斯坦引入了一個他稱為“宇宙常數”的力, 來使他的方程能夠得到靜態宇宙的結果。“這是我一生中犯下的最大的錯誤”,他後來回憶道。 這之後不久,天文學家發現了宇宙確實在膨脹,相對論自始至終都是正確的。


天馬行文


理論:

1905年, 阿爾伯特 · 愛因斯坦確定, 所有不加速的觀察者的物理定律是相同的, 真空中的光速與所有觀察者的運動無關。 這就是狹義相對論。 它為所有的物理學提出了一個新的框架, 並提出了空間和時間的新概念。

然後, 愛因斯坦花了10年時間試圖將加速度納入理論, 並在1915年發表了他的廣義相對論。 在這本書中, 他斷定大質量物體會導致時空扭曲, 這就像重力一樣。

阿爾伯特•愛因斯坦(Albert Einstein)在他的狹義相對論中斷定, 所有不加速的觀察者的物理定律是相同的, 他還表明, 無論觀察者的行進速度如何, 真空中的光速是一樣的。 結果, 他發現空間和時間被映射成一個單一的連續體, 稱為時空。 一個觀察者同時發生的事件可能發生在另一個觀察者的不同時間點上。

當他為自己的廣義相對論設計方程時, 愛因斯坦意識到巨大的物體在時空中造成了扭曲。 想象一下, 在蹦床的中心設置一個大的物體。 物體向下壓彎織物, 使其變成一個凹陷。 沿著邊緣滾動的小球會向內螺旋運動, 與行星的引力吸引太空中的小物體的方式大致相同。

實驗證據:

引力透鏡效應: 大質量物體周圍的光線, 例如黑洞, 是彎曲的, 使它成為隱藏在它後面的物體的透鏡。 天文學家經常使用這種方法來研究巨大天體背後的恆星和星系。

水星軌道的變化: 隨著時間的推移, 由於太陽周圍的時空曲率, 水星的軌道隨著時間的推移正在逐漸變化。 在幾十億年內, 它甚至可能與地球發生碰撞。

在旋轉的物體周圍進行時空拖曳: 重物的旋轉, 如地球, 應扭曲和扭曲周圍的時空。 2004年, NASA 發射了重力探測器 b GP-B。 精確校準的衛星使得內部陀螺儀的軸線隨著時間的推移會微微漂移, 這個結果與愛因斯坦的理論是一致的。

引力波: 兩個黑洞的碰撞, 被認為能夠在時空中產生引力波的漣漪。 二零一六年, 激光干涉引力波天文臺(LIGO)宣佈, 它發現了這些引力波的證據。


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簡單明瞭的說:狹義就是,一滴水從天花板上滴下來的時間,a慣性體系的人實測到是兩秒鐘;而b慣性體系的人實測到是三秒鐘。人們問,為啥會這樣呢?愛因斯坦想了想,是啊怎麼使普通人能夠理解呢?於是廣義便被構想出來了:時空彎曲呀!時空彎曲了,時間被固化了,於是不同的時空角度測出來的時間就可以不同了。於是人們似乎"可以"理解了!然而"量子力學″出來了,量子的″絕對世界″似乎不能容忍″相對理論″的世界!怎麼辦呢?愛因斯坦想了想,好吧!我再儘量"統一″一下……然而很遺憾,他已老了,歲月不饒人呀,他的時空彎曲最多能夠使其變年輕兩三秒,再多就無能為力了!給我一棍子,另加一個支點……我還是先睡了!





餘之言



用戶楊海利


梅西的足球把另一種加速度表現得酣暢淋漓。那就是變向。我們的直覺裡最直觀的加速度是變速。F=ma 我們的經驗裡變速加速度最直觀,而非變向加速度。我認為等效原理的核心就是變速與變向的等效性。等速變向最典型的例子就是圓運動。有趣的是圓的曲率居然跟半徑有比例關係。可以用曲率概念抵消距離概念,如此用變向概念可以完全替換變速概念。不考慮維度,圓的最重要特性就是有中心,中心就是質量點,牛頓已經證明。質量能量相同已經狹義相對論證明出。質量能量左右曲率,使時空彎曲,這就是對廣義相對論的我的觀點。


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原創思想,廣義相對論是說質量可以在其周圍產生時空彎曲,可不能說明為何時空彎曲不能反過來對該質量產生反作用,所以 廣相是一個沒有相互作用的理論,與宇宙的實在直接相違背,於是,廣相和狹相都應該送進歷史的博物館了。


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